CN116625866A - 模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土施工模拟技术领域，提供一种模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置及方法。其中，模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置包括垂向力加载机构与主体框架的顶板相连，垂向力加载机构的尾端与多模式刀座相连，并向多模式刀座提供垂向切割力；切向力加载机构与主体框架的底板相连，切向力加载机构的尾端多模式刀座相连，并向多模式刀座提供切向力；主体框架用于承担在破岩过程中的所有切割反力；多功能试样箱采用可拆卸、组合式设计，能实现试验台空间内任意尺度试样的固定与定位，且允许夹持面具有一定的切斜和缺陷；岩箱具有角度调整功能，可根据实验需求对试样安装角度进行调整，以真实模拟掘进机破岩时的刀具受力状态。

Description

模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置及方法

技术领域

本发明属于岩土施工模拟技术领域，尤其涉及一种模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

隧道工程被广泛应用于铁路、公路、城市轨道交通、长距离调水等领域建设中。隧道掘进机具有自动化程度高，掘进速度快等优势，已成为城市隧道开挖优先选用的施工装备。然而随着城市建筑物密集程度增加和地下空间不断开发，隧道掘进机遭遇既有建筑物(尤其是桩基)的情况不断发生，给隧道施工带来了新的挑战。当隧道掘进机遭遇地下建筑物时，调整线路、原地拔桩、竖井凿桩、开仓爆破等传统方法可以实施穿越，但随之带来的是成本高、工期长、扰动大等一系列问题；而且，在城市建筑密集区、市内交通干线等复杂环境下，地面、地下工程条件并不支持上述方法的实施，必须直面强行破障穿越的难题。因此探究隧道掘进机刀具破岩状态是亟需开展的关键问题。

隧道掘进机是大型的复杂设备，且对地质有很强针对性，地质条件影响隧道掘进机的结构形式和性能参数。现有的数学和力学模型难以精确描述各个因素对刀具破岩效率的影响。且隧道施工现场环境恶劣，通过施工现场进行试验需要承担巨大的安全风险和经济代价。因此，搭建破岩试验台进行室内试验，全面深入地探究隧道掘进机各类刀具与岩土的相互作用机理，厘清影响破岩的主控因素，揭示隧道掘进机刀具破岩机制，建立隧道掘进机高效破岩方法，具有重要的工程实际意义。

现有试验台主要分为线性切割试验台和带有旋转试验台两种，但其在研究工作存在一些局限性：

(1)在实际掘进过程中，刀具与前方掌子面岩石接触并不是垂直接触，一般情况下受到岩石形状影响导致刀具与岩石接触角度发生变化，本试验平台设计了试样箱，不仅能用于安装模拟滚刀破岩的岩石试样，还能安装模拟贝壳刀破桩的钢筋混凝土试样，试样箱具备角度调整功能，进而真实模拟隧道掘进机破岩时刀具与试样的倾角变化，还原掘进施工状态。现有大多试验台不具备此功能，如专利“一种可模拟刀盘各位置刀具行为的试验台”(专利号：CN201911412809.4)，解决了现有技术中线性切割试验台无法模拟各种安装半径刀具在掘进时的工况的问题，但未考虑刀具与试样间的倾角变化。

(2)现有试验台岩箱一般为固定结构，对试样尺寸要求严格，过大或者过小都难以实现安装和定位，同时要求试样夹持面具有一定的平行度以便于夹持。本公开的试验平台岩箱才用可拆卸、组合式设计，能满足试验台空间内各种尺度试验的夹持和定位，且夹持机构采用丝杠和挡板结构，允许夹持面一定的倾斜或不均匀，对试样的要求小，现有试验台大多不具备此功能。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置及方法，其目的在于建立室内线性切割试验平台，用于研究隧道掘进机不同刀具的破岩规律、揭示不同刀具破岩机制、建立隧道掘进机高效破岩方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供了一种模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置。

一种模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置，其包括：主体框架、垂向力加载机构、多模式刀座、切向力加载机构和试样箱；

所述垂向力加载机构与主体框架的顶板相连，所述垂向力加载机构的尾端与所述多模式刀座相连，并向多模式刀座提供垂向切割力；

所述切向力加载机构与主体框架的底板相连，所述切向力加载机构的尾端所述多模式刀座相连，并向多模式刀座提供切向力；

所述主体框架用于承担在破岩过程中的所有切割反力；

所述试样箱设置在主体框架的底板与多模式刀座之间，所述试样箱可根据试验需求对试样安装角度进行调整，以真实模拟掘进机破岩时的刀具受力状态。

作为一种实施方式，所述主体框架包括顶板、侧面支撑板、底板和减震垫铁，所述底板设置在减震垫铁上，侧面支撑板与底板固定连接，顶板安装在侧面支撑板上侧。

上述技术方案的优点在于，一方面减震垫铁用于减小试验台震动，另一方面减震垫铁用于试验台底面找平。

作为一种实施方式，所述垂向力加载机构，包括：垂向力驱动机构、刀座导向板、多分量传感器和竖向导轨；

所述刀座导向板一端连接垂向力驱动机构，另一端连接多分量传感器；所述多分量传感器用于实时检测刀具破岩过程中的垂向力、切向力以及侧向力；所述竖向导轨固定在主体框架的侧面支撑板上，所述竖向导轨通过第一滑块与垂向力加载机构相连接。

作为一种实施方式，所述垂向力驱动机构为垂向加载油缸，所述垂向加载油缸安装在主体框架的顶板处，油缸活塞杆固定在刀座导向板处，当垂向油缸工作时，活塞杆带动刀座导向板竖向运动，用于提供垂向力。

作为一种实施方式，所述多模式刀座包括：贝壳刀、贝壳刀安装座、滚刀及滚刀安装座；

所述贝壳刀安装座一端与贝壳刀相连接，另一端与多分量传感器连接；

所述滚刀安装座一端与滚刀相连接，另一端也与多分量传感器连接。

作为一种实施方式，所述切向力加载机构包括：切向力驱动机构和切向导轨；

所述切向力驱动机构用于驱动试样箱沿切向运动，以提供破岩切向力；所述切向导轨固定在主体框架的底板处，所述试样箱与所述切向导轨通过第二滑块相连接。

作为一种实施方式，所述切向力驱动机构为切向力加载油缸，所述切向加载油缸安装在主体框架的底板处，油缸活塞杆固定在试样箱处，当切向力加载油缸工作时，活塞杆带动试样箱沿切向运动，用于提供破岩切向力。

作为一种实施方式，所述试样箱包括：试样箱本体和岩样夹持机构；

所述第二滑块安装在试样箱本体的底板下端，试样箱本体的底板与切向导轨通过第二滑块相连接；

所述试样底板上端开设多条通长T型槽，T型槽内置螺栓，螺栓另一侧通过螺母将岩样夹持机构锁紧，实现岩样夹持机构的位置调整与固定。

作为一种实施方式，试样定位与安装，所述多功能试样箱通过调整岩样夹持机构切向距离，能适应试验台空间内任意尺寸试验的夹持与定位，且允许试样夹持面具有一定倾斜和缺陷；

作为一种实施方式，所述试样夹持机构包括切向前挡板和切向后挡板，所述切向前挡板和切向后挡板上开设曲形长条孔，并安装在所述试样切向两侧，所述挡板设有两道锁紧机构，以确保试验过程中试样不会发生位置移动。

作为一种实施方式，所述两道锁紧机构包括第一道锁紧机构和第二道锁紧机构，所述第一道锁紧机构包括丝杠及其两端的螺母，所述丝杠穿过切向前挡板和切向后挡板对应的曲形长条孔，两端采用螺母锁紧，通过螺母预紧力形成第一道锁紧，以实现根据所述试样大小调整切向位置；所述第二道锁紧机构由T型槽内的螺栓构成，通过螺母将切向前挡板和切向后挡板与T型槽内的螺栓相连接，通过垂向螺母预紧力形成第二道锁紧。

作为一种实施方式，所述试样箱的顶板用于放置试样，试样箱的顶板与底板之间置有升降机构，通过升降机构改变第一层试样安装板与第二层试样安装板之间的夹角，进而实现试样切向切角调整；试样与试样箱的顶板之间置有可调整高度的垫铁。

本发明的第二个方面提供了一种基于如上述所述的模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置的试验方法。

一种基于如上述所述的模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置的试验方法，其包括：

将试样放置到试样箱中，根据试验需求调整试样箱的顶板与底板之间的夹角，进而实现试样切向切角调整；改变调整垫铁高度，进而改变试样侧向倾角，随后采用试样夹持机构对试样进行固定定位；

将多模式刀座移动至指定位置，根据预先确定的破岩模式，控制垂向力加载机构及切向力加载机构执行相应动作，以完成相应试验。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明充分考虑了隧道掘进机破岩过程中掘进状态，设计了能模拟掘进机刀具工作状态的室内垂向力加载机构、切向力加载机构以及多模式刀座，而且多模式刀座置于多分量传感器底端，在更换刀具时仅需更换刀具安装座，无需更换其它模块，不影响试验台数据采集与传输，操作简单。

(2)本发明能进行掘进机各类刀具的安装与切割试验，如贝壳刀、滚刀等，满足掘进机多种类型刀具破岩试验研究；试样夹持机构包括切向前挡板和切向后挡板，所述切向前挡板和切向后挡板上开设曲形长条孔，所述切向挡板可根据所述试样大小调整切向位置，位置确定后，挡板夹紧所述试样，将丝杠穿过切向前挡板和切向后挡板对应的曲形长条孔，两端采用螺母锁紧，此后通过螺母将切向前挡板和切向后挡板与试样底板T型槽内的螺栓相锁紧，故所述多功能岩箱安装灵活，能满足试验台空间内任意尺寸试样的安装与定位，且对试样夹持面的平行度要求较低。

(3)本发明的试样箱能具备试样角度调整功能，可通过调整升降机构进而改变第一层试样安装板与第二层试样安装板之间的夹角，进而实现试样切向切角调整；试样与试样箱间置有可调整高度的垫铁，根据试验需求调整垫铁高度，进而改变试样侧向的倾角。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例的用于模拟隧道掘进机破岩状态的多功能试验平台的立体结构示意图；

图2为图1所示的主体框架的立体结构示意图；

图3为图1所示的垂向力加载机构的立体结构示意图；

图4(a)为图1所示的贝壳刀安装座的立体结构示意图；

图4(b)为图1所示的滚刀安装座的立体结构示意图；

图5为图1所示的切向力加载机构的立体结构示意图；

图6为图1所示的试样箱的示意图；

图7为图6所示的试样角度调整模块的示意图；

其中：1、主体框架；11、右侧面支撑板；12、顶板；13、左侧面支撑板；14、底板；15、定位销；16、减震垫铁；2、垂向力加载机构；21、垂向力加载油缸；22、油缸法兰；23、垂向力油缸活塞杆；24、活塞杆法兰；25、导向板；26、多分量传感器；27、竖向导轨滑块；28、竖向导轨；3、多模式刀座；31、贝壳刀安装座；311、贝壳刀安装座螺栓孔；32、贝壳刀；33、滚刀安装座；331、滚刀安装座螺栓孔；34、滚刀；4、切向力加载机构；41、切向力加载油缸；42、切向力油缸活塞杆；43、切向导轨；5、试样箱；51、试样第一底板；511、试样第一底板T型槽；52、试样第二底板；53、升降油缸；54、切向导轨滑块；55、切向前挡板；551、切向前挡板螺栓孔；552、曲形长条孔；56、切向后挡板；561、切向后挡板T型槽；57、约束挡板；571、约束挡板圆孔；58、丝杠；59、调整垫铁；6、试样。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

根据图1，本实施例提供了一种模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置，其包括：主体框架1、垂向力加载机构2、多模式刀座3、切向力加载机构4和试样箱5。

具体地，所述垂向力加载机构2与主体框架1的顶板相连，所述垂向力加载机构2的尾端与所述多模式刀座3相连，并向多模式刀座3提供垂向切割力。

所述切向力加载机构4与主体框架1的底板相连，所述切向力加载机构4的尾端所述多模式刀座3相连，并向多模式刀座3提供切向力。

垂直力加载机构2主要用于施加破岩过程在的垂直力，垂向力加载油缸21固定在主体框架顶板12上，垂向力油缸活塞杆23带动贝壳刀32或滚刀34竖向运动并产生垂向力；

多模式刀座3采用模块化设计，通过螺栓固定在多分量传感器26上，在更换贝壳刀32或滚刀34时，仅需整体更换多模式刀座3，不影响试验平台数据检测模块，操作简单高效。

切向力加载油缸41固定在主体框架底板14上，切向力油缸活塞杆42带动试样箱5沿切向运动，并提供破岩所需的切削力。

所述主体框架1用于承担在破岩过程中的所有切割反力；其中，主体框架1主要用于承担破岩过程中贝壳刀32或滚刀34产生的全部反力。

所述试样箱5设置在主体框架1的底板与多模式刀座3之间，所述试样箱5可根据试验需求对试样安装角度进行调整，以真实模拟掘进机破岩时的刀具受力状态。

其中试样6，设置在试样箱5上，所述试样包含但不限于钢筋混凝土试样，混凝土试样，岩石试样等；试样6底部放置能调节高度的左调整垫铁56和右调整垫铁57，实现试样切割面与切割刀具倾角调整。

如图1和图2所示，主体框架1主要包括右侧面支撑板11、顶板12、左侧面支撑板13、底板14、定位销15和减震垫铁16。减震垫铁16均匀布置在试验台底板14下，一方面减震垫铁16能起到减小试验台震动的作用，另一方面减震垫铁16能调节高度，用于试验台底面找平；右侧面支撑板11和左侧面支撑板13分别通过螺栓固定在试验台底板14左右两侧，进一步的，右侧面支撑板11和左侧面支撑板13开设销孔，通过定位销15与试验台底板14定位；顶板12安装在右侧面支撑板11和左侧面支撑板13上侧，通过螺栓定位与固定，顶板12、右侧面支撑板11和左侧面支撑板13构成龙门结构，具有较好的结构强度；破岩试验平台工作时，所有的试验反力全部由主体框架1承担。

此处需要说的是，顶板12与右侧面支撑板11和左侧面支撑板13的固定方式，以及右侧面支撑板11和左侧面支撑板13和底板14的连接方式，均可采用其他形式固定，比如卡接等方式。

在本实施例中，垂向力驱动机构以垂向力加载油缸为例：

如图3所示，垂向力加载机构2主要包括垂向力加载油缸21、油缸法兰22、垂向力油缸活塞杆23、活塞杆法兰24、导向板25、多分量传感器26、竖向导轨滑块27和竖向导轨28。垂向加载油缸21通过油缸法兰22安装在主体框架顶板12处，垂向力油缸活塞杆23通过活塞杆法兰24固定在刀座导向板25处，当垂向加载油缸21工作时，垂向加载油缸21因与主体框架顶板12固定连接保持静止，垂向力油缸活塞杆23带动刀座导向板25竖向运动，并提供垂向力；刀座导向板25一端连接垂向力油缸活塞杆23，另一端连接多分量传感器26；破岩过程中，多分量传感器26用于试样数据采集，实时检测刀具破岩过程中的垂向力、切向力以及侧向力。

此处可以理解的是，在其他实施例中，垂向力驱动机构也可采用其他现有的驱动机构，比如驱动电机等。

其中，竖向导轨28固定在主体框架右侧面支撑板11和左侧面支撑板13上，一端与安装有竖向导轨滑块27的垂向力加载机构2相连接，垂向力加载机构2在竖向导轨28作用下实现竖向运动。

如图4所示，多模式刀具3主要包括贝壳刀安装座31、贝壳刀安装座螺栓孔311、贝壳刀32、滚刀安装座33、滚刀安装座螺栓孔331和滚刀34。多模式刀座3模块化设计，并置于多分量传感器26底端，多模式刀座可按照试验需求更换不同刀具。

以贝壳刀及滚刀为例说明：

贝壳刀安装：贝壳刀安装座31一端与贝壳刀32相连接，另一端设有贝壳刀安装座螺栓孔311，贝壳刀安装座31通过贝壳刀安装座螺栓孔311与多分量传感器26相连接；

滚刀安装：滚刀安装座33一端与滚刀34相连接，另一端设有滚刀安装座螺栓孔331，所述滚刀安装座33通过滚刀安装座螺栓孔331与多分量传感器26相连接。

在更换刀具时仅需更换不同的刀具安装座，无需更换其它部件，不影响试验平台数据检测模块，操作简单。

如图1和图5所示，切向力加载机构4主要包括切向力加载油缸41、切向力油缸活塞杆42和切向导轨43。切向加载油缸41通过法兰安装固定在主体框架底板14处，切向力油缸活塞杆42通过法兰与试样箱5固定连接，切向导轨43固定在主体框架底板14处，试样箱5与切向导轨43通过滑块相连接；当切向力加载油缸41工作时，切向力加载油缸41因与主体框架底板14连接保持静止，切向力油缸活塞杆42带动试样箱5沿切向运动，并提供破岩切向力。

如图1、图6和图7所示，试样箱包括试样第一底板51、试样第一底板T型槽511、试样第二底板52、升降油缸53；切向导轨滑块54；切向前挡板55；切向前挡板螺栓孔551；曲形长条孔552；切向后挡板56；切向后挡板T型槽561；约束挡板57；约束挡板圆孔571；丝杠58；调整垫铁59。

试样定位与安装，所述多功能试样箱通过调整岩样夹持机构切向距离，能适应试验台空间内任意尺寸试验的夹持与定位，且允许试样夹持面具有一定倾斜和缺陷；现有试验台岩箱一般为固定结构，对试样尺寸要求严格，过大或者过小都难以实现安装和定位，同时要求试样夹持面具有一定的平行度以便于夹持。本公开的试验平台岩箱才用可拆卸、组合式设计，能满足试验台空间内各种尺度试验的夹持和定位，且夹持机构采用丝杠和挡板结构，允许夹持面一定的倾斜或不均匀，对试样的要求小，现有试验台大多不具备此功能。

现有技术中线性切割试验台无法模拟各种安装半径刀具在掘进时的工况的问题，但未考虑刀具与试样间的倾角变化。本实施例的所述试样箱5设有两层安装板(分别为试样箱5的顶板和底板)，第一层试样安装板51(试样箱5的顶板)用于放置试样6，第二层安装板52(试样箱5的底板)用于连接切向导轨滑块54，第一层安装板51与第二层安装板52之间置有升降油缸53，可通过调整升降油缸53高度进而改变第一层试样安装板52与第二层试样安装板52之间的夹角，进而实现试样6切向切角调整；试样6与第一层试样安装板51间置有可调整高度的调整垫铁59，根据试验需求改变调整垫铁59高度，进而改变试样6侧向倾角。

如图6所示，试样箱5置有试样夹持机构，试样夹持机构包括切向前挡板55和切向后挡板56，所述切向前挡板55开设曲形长条孔552，切向后挡板56开设切向后挡板T型槽561，切向前挡板55和切向后挡板56安装在所述试样6前后两侧，试样箱5通过调整切向前挡板55的安装位置，能适应试验台空间内任意尺寸试样6的安装与定位，且允许试样夹持面具有一定的倾斜或缺陷。

具体地，将丝杠58穿过切向前挡板55和切向后挡板56对应的曲形长条孔，两端采用螺母锁紧，通过螺母预紧力形成第一道锁紧；第一道锁紧完成后，通过螺母将切向前挡板55和切向后挡板56与试样底板T型槽511内的螺栓相连接，通过垂向螺母预紧力形成第二道锁紧，进而保证破岩过程中试样位置不发生移动。

如图6和图7所示，切向前挡板55和切向后挡板56设有两道锁紧机构，以确保试验过程中试样6不会发生位置移动：

第一道锁紧：所述切向前挡板55和切向后挡板56可根据所述试样6大小调整切向位置，位置确定后，切向前挡板55和切向后挡板56夹紧所述试样6，将丝杠穿过切向前挡板55和切向后挡板56对应的曲形长条孔552和切向后挡板T型槽561，两端采用螺母锁紧，通过螺母预紧力形成第一道锁紧；

第二道锁紧：第一道锁紧完成后，通过螺母将切向前挡板55和切向后挡板56与试样第一底板T型槽511内的螺栓相连接，通过垂向螺母预紧力形成第二道锁紧。

如图7所示，对于钢筋混凝土桩基而言，钢筋所受约束条件与贝壳刀切割方向相关，分为强约束钢筋和弱约束钢筋，对于地连墙结构而言，钢筋两侧均为筋间混凝土，视为强约束钢筋。本试验台为模拟钢筋混凝土强约束钢筋与弱钢筋情况，设计了试样约束机构。

对于钢筋混凝土弱约束钢筋而言，试样约束机构无需设置，钢筋约束仅依靠自身的混凝土保护层；

对于强约束钢筋条件，试样6两侧增加约束挡板57，强约束钢筋外侧攻螺纹，约束挡板57开设略大于钢筋直径的约束挡板圆孔571，安装约束挡板57时，将钢筋混凝土的强约束钢筋穿过约束挡板圆孔571，再通过螺栓锁紧约束挡板57，以此增加外界强约束力。

在一个或多个实施例中，还提供了一种基于如上述所述的模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置的试验方法，其包括：

将试样放置到试样箱中，根据试验需求调整试样箱的顶板与底板之间的夹角，进而实现试样切向切角调整；改变调整垫铁高度，进而改变试样侧向倾角，随后采用试样夹持机构对试样进行固定定位；

将多模式刀座移动至指定位置，根据预先确定的破岩模式，控制垂向力加载机构及切向力加载机构执行相应动作，以完成相应试验。

其中，本实施例可进行多种破岩模式选择，具体包括以下方式：

(1)力控制模式：试验平台以恒定垂向力和切割力进行破岩，探究不同模式下的最优破岩贯入度和切割速度。破岩试验开始前，将试样6放置到试样箱中，根据试验需求调整升降油缸53高度进而改变第一层试样安装板52与第二层试样安装板52之间的夹角，进而实现试样6切向切角调整；改变调整垫铁59高度，进而改变试样6侧向倾角，随后采用试样夹持机构对试样6进行固定定位，贝壳刀32/滚刀34移动至指定位置，试验开始后，垂向力加载油缸21与切向力加载油缸41加载到试验设定的破岩力，随后垂向力油缸活塞杆23带动刀座导向板25竖向运动，并提供垂向力；切向力油缸活塞杆42带动试样箱5沿切向运动，并提供破岩切向力；

(2)位移控制：试验台以恒定贯入度和切割速度进行破岩，探究不同模式下的破岩切割力。试验开始前，将试样6放置到试样箱中，根据试验需求调整升降油缸53高度进而改变第一层试样安装板52与第二层试样安装板52之间的夹角，进而实现试样6切向切角调整；改变调整垫铁59高度，进而改变试样6侧向倾角，随后采用试样夹持机构对试样6进行固定定位，贝壳刀32/滚刀34移动至指定位置，试验开始后，垂向力加载油缸21控制刀具竖向静止，切向力油缸活塞杆42带动试样箱5沿切向匀速运动，试验过程中多分量传感器26实时检测垂向力、切割力和侧向力。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置，其特征在于，包括：主体框架、垂向力加载机构、多模式刀座、切向力加载机构和试样箱；

所述垂向力加载机构与主体框架的顶板相连，所述垂向力加载机构的尾端与所述多模式刀座相连，并向多模式刀座提供垂向切割力；

所述切向力加载机构与主体框架的底板相连，所述切向力加载机构的尾端所述多模式刀座相连，并向多模式刀座提供切向力；

所述主体框架用于承担在破岩过程中的所有切割反力；

所述试样箱设置在主体框架的底板与多模式刀座之间，所述试样箱可根据试验需求对试样安装角度进行调整，以真实模拟掘进机破岩时的刀具受力状态。

2.如权利要求1所述的模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置，其特征在于，所述主体框架包括顶板、侧面支撑板、底板和减震垫铁，所述底板设置在减震垫铁上，侧面支撑板与底板固定连接，顶板安装在侧面支撑板上侧。

3.如权利要求1所述的模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置，其特征在于，所述垂向力加载机构，包括：垂向力驱动机构、刀座导向板、多分量传感器和竖向导轨；

所述刀座导向板一端连接垂向力驱动机构，另一端连接多分量传感器；所述多分量传感器用于实时检测刀具破岩力；所述竖向导轨固定在主体框架的侧面支撑板上，通过第一滑块与垂向力加载机构相连接。所述垂向力驱动机构为安装在主体框架的顶板处的垂向加载油缸，油缸活塞杆固定在刀座导向板处，当垂向油缸工作时，活塞杆带动刀座导向板竖向运动，用于提供垂向力。

4.如权利要求1所述的模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置，其特征在于，所述多模式刀座包括：贝壳刀、贝壳刀安装座、滚刀及滚刀安装座；

所述贝壳刀安装座一端与贝壳刀相连接，另一端与多分量传感器连接；

所述滚刀安装座一端与滚刀相连接，另一端也与多分量传感器连接。

5.如权利要求1所述的模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置，其特征在于，所述切向力加载机构包括：切向力驱动机构和切向导轨；

所述切向导轨固定在主体框架的底板处，所述试样箱与所述切向导轨通过第二滑块相连接；所述切向力驱动机构为切向力加载油缸，所述切向加载油缸安装在主体框架的底板处，油缸活塞杆固定在试样箱处，当切向力加载油缸工作时，活塞杆带动试样箱沿切向运动，用于提供破岩切向力。

6.如权利要求6所述的模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置，其特征在于，所述试样箱包括：试样箱本体和岩样夹持机构；

所述第二滑块安装在试样箱本体的底板下端，试样箱本体的底板与切向导轨通过第二滑块相连接；

所述试样底板上端开设多条通长T型槽，T型槽内置螺栓，螺栓另一侧通过螺母将岩样夹持机构锁紧，实现岩样夹持机构的位置调整与固定。

7.如权利要求8所述的模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置，其特征在于，所述试样夹持机构包括切向前挡板和切向后挡板，所述切向前挡板和切向后挡板上开设曲形长条孔，并安装在所述试样切向两侧，所述挡板设有两道锁紧机构，以确保试验过程中试样不会发生位置移动。

8.如权利要求9所述的模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置，其特征在于，所述两道锁紧机构包括第一道锁紧机构和第二道锁紧机构，所述第一道锁紧机构包括丝杠及其两端的螺母，所述丝杠穿过切向前挡板和切向后挡板对应的曲形长条孔，两端采用螺母锁紧，通过螺母预紧力形成第一道锁紧，以实现根据所述试样大小调整切向位置；所述第二道锁紧机构由T型槽内的螺栓构成，通过螺母将切向前挡板和切向后挡板与T型槽内的螺栓相连接，通过垂向螺母预紧力形成第二道锁紧。

9.如权利要求6所述的模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置，其特征在于，所述试样箱的顶板用于放置试样，试样箱的顶板与底板之间置有升降机构，通过升降机构改变第一层试样安装板与第二层试样安装板之间的夹角，进而实现试样切向切角调整；试样与试样箱的顶板之间置有可调整高度的垫铁。

10.一种基于如权利要求1-9中任一项所述的模拟隧道掘进机刀具破岩状态的多功能试验装置的试验方法，其特征在于，包括：

将试样放置到试样箱中，根据试验需求调整试样箱的顶板与底板之间的夹角，进而实现试样切向切角调整；改变调整垫铁高度，进而改变试样侧向倾角，随后采用试样夹持机构对试样进行固定定位；

将多模式刀座移动至指定位置，根据预先确定的破岩模式，控制垂向力加载机构及切向力加载机构执行相应动作，以完成相应试验。